光涡旋空间光通信中湍流畸变的抑制方法研究

发布时间：2020-07-03 03:19

【摘要】：众所周知,轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)光束对于提升自由空间光(Free Space Optical,FSO)通信频谱效率和信道容量极具发展潜力。然而,OAM光束在传输过程中不可避免地会受到大气湍流的影响,导致光束质量畸变,严重影响通信质量,甚至导致通信中断。近年来,关于OAM空间光通信中的湍流抑制技术,是该领域当前研究的热点。已有研究显示单从信号处理的角度无法改善光束质量的畸变问题,而自适应光学技术能够实时动态的对光束进行波前校正,可有效解决光束畸变问题。然而,自适应光学系统结构较为复杂,其校正算法的实施也受诸多因素影响。因此,设计系统结构精简、湍流环境适应性更强的技术方案是突破当前湍流畸变抑制技术的关键和难题。围绕OAM光信号的湍流畸变抑制关键技术,本文讨论并设计三种抑制湍流畸变的技术方案,即:辅光共路分屏预处理GS(Gerchberg-Saxton)算法方案,光场特征提取的随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法方案和辅光共路外差相干抗扰方案,主要研究内容如下:(1)关于辅光共路分屏预处理的GS算法方案。首先将高斯光束与OAM光束在湍流信道中进行共路径传播,随后通过高斯屏过滤湍流屏,然后使受到湍流影响的OAM光束通过共轭湍流屏,便可得到发送OAM光束的场强分布。以此场强分布作为GS算法的初始条件,进一步提高GS算法的相位恢复效果。通过光场仿真,在未知发送OAM光束信息的前提下,实现了单模OAM光束相位畸变的有效补偿。(2)关于光场特征提取的SPGD算法方案。首先利用OAM模场的分布特性提取OAM模场分布的主要轮廓特征,然后根据桶中功率理论,将经受畸变的OAM模式光能量与发送OAM模式光能量的比值作为SPGD算法的性能评价函数,最后,依据OAM模场分布的主要轮廓特征进行针对性的波前畸变补偿。仿真结果显示,在中等湍流强度下,该方案能实现OAM单模和双模复用光场的湍流畸变补偿,且单模光场畸变补偿前后的性能评价函数最优值提升了0.23。(3)关于辅光共路外差相干抗扰方案。在该方案中,将经湍流传输的OAM光束作为相干检测输入的信号光;辅助光经湍流传输后再经相位同步匹配,随后将其作为相干检测输入的本振光,以此为基础构建辅光共路外差相干检测模型。基于此模型,研究多路OAM光束相位畸变相干相消的解复用结构,进而建立多模OAM光传输与畸变补偿的协同通信机制。仿真结果显示,在中等湍流情况下,通过畸变补偿,OAM模式纯度提升50%,各模式误码率(Bit Error Rate,BER)可维持在10~(-5)以下。最后,本文设计了两种基于输入光束型调整的优化方案,分别为OAM光束束腰调整方案、高斯光束半径调整方案,仿真证明两者都可进一步提升湍流畸变抑制效果。研究表明,本文所设计的辅光共路外差相干抗扰方案具备结构精简和湍流适应性较强的优点,可为实际应用领域中OAM光束的相位畸变补偿和减少模间串扰提供理论参考。
【学位授予单位】：中南民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1
【图文】：

光场分布,螺旋波,光场分布,光束

取 p = 0, 即 1lpL = ，式(2.2)可简写为：( )2 22 2 2R1R2 1 2 i( , , ) [ ] exp expπ( )! ( ) ( ) ( ) 2( )exp[i( 1) tan ( )] exp ilr r kr zu r zl w z w z w z z zzl lzθθ = + × + 0时，具有不同拓扑荷值 LG 光束的螺旋波前及静场光强分布下规律： LG 光束拓扑荷值的增大，其光束半径越来越大，且场强分布围逐渐变大；束拓扑荷值与其相位分布图中的旋臂数一一对应，且每一天其相位翻转了360度，这也与其螺旋波前在传播轴线上的前进趋束场强分布的中空特性，与其螺旋波前相位息息相关，故螺束的主要特性。

光场分布,叉形,光束

相位掩模有且对应一个拓扑荷值的OAM光束，这样就可以根据转化成高斯光束所用的相位掩模来确定原来的OAM的模式数。图2.2 叉形图法产生LG光束2.2.2 光学几何变换法该方法由Martin P J Lavery, Gregorious C G Berkhout等[59]所在团队提出，可将OAM光束转化为一种具有横向梯度的光矢，如图2.3所示。OAM光束的光场分布呈现环形中空态，这将导致OAM的模式测量十分不便，当转化为条形矢量后，可以根据矢量位置推算出其对应的OAM模式。图2.3 光束螺旋相位向线性相位转换原理(引自文献[59])该方案包含两个关键的模块，一个是基于傅立叶变换的相位转换模块，可以设为相位转变函数1ρ ( x , y)，完成环形光场向条形光场的转换，另一个是相位校正模块，可以设为相位校正函数2ρ ( x , y)，用于标记横向光场的位置，从何确定对应的OAM模式数。此外

【参考文献】